(57)【要約】【課題】反り量の少ない窒化物半導体ウエハを得る。【解決手段】サファイア基板に窒化物半導体薄膜結晶層と、その上にボイドを含む金属窒化膜とが設けられてなるボイド形成基板上に窒化物半導体厚膜結晶層を形成した後、前記ボイド形成基板を除去する窒化物半導体ウエハの製造法において、前記サファイア基板の裏面に、サファイアの熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有する材料からなる反り相殺層を形成し、前記窒化物半導体厚膜結晶層の成長温度下で、熱膨張係数の差によって前記反り相殺層を形成したボイド形成基板を、前記金属窒化膜が形成される面から見て凸状に反らせ、前記凸状に反らせたボイド形成基板の上に前記窒化物半導体厚膜結晶層を凸状に成長させ、成長終了後、前記成長温度から常温に戻る際に、前記ボイド形成基板の平らな形状への復元とともに前記窒化物半導体厚膜結晶層の凸状から平らな形状への戻りが、前記窒化物半導体厚膜結晶層の半導体極性面から見た凹状の反りを相殺する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
サファイア基板に窒化物半導体薄膜結晶層と、その上にボイドを含む金属窒化膜とが設けられてなるボイド形成基板上に窒化物半導体厚膜結晶層を形成した後、前記ボイドを堺に前記ボイド形成基板を除去して窒化物半導体ウエハを製造する方法において、
前記サファイア基板の前記窒化物半導体薄膜結晶層が形成される表面とは反対側の裏面に、サファイアの熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有する材料からなる反り相殺層を形成し、
前記窒化物半導体厚膜結晶層の成長温度下で、前記サファイア基板と前記反り相殺層との熱膨張係数の差によって前記反り相殺層を形成したボイド形成基板を、前記金属窒化膜が形成される面から見て凸状に反らせ、
前記凸状に反らせたボイド形成基板の上に前記窒化物半導体厚膜結晶層を凸状に成長させ、
成長終了後、前記成長温度から常温に戻る際に、前記ボイド形成基板の平らな形状への復元とともに前記窒化物半導体厚膜結晶層の凸状から平らな形状への戻りが、前記窒化物半導体厚膜結晶層の半導体極性面から見た凹状の反りを相殺する
窒化物半導体ウエハの製造方法。
【請求項２】
前記反り相殺層は、前記ボイド形成基板を形成した後、前記サファイア基板の裏面に膜状に形成する請求項１に記載の窒化物半導体ウエハの製造方法。
【請求項３】
前記反り相殺層はインバー合金で構成する請求項１または２に記載の窒化物半導体ウエハの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体ウエハの製造方法、特に製造時の反りを改善したものに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮを代表とする窒化物半導体ウエハの製造方法として、ボイド形成剥離法（ＶＡＳ法：Void-assisted Separation Method法）が知られている（特許文献１）。このＶＡＳ
法では、サファイア基板上にＧａＮの薄膜を形成したボイド形成基板を用いる。このボイド形成基板上にＨＶＰＥ法（ハイドライド気相成長法：Hydride Vapor Phase Epitaxy）
を用いてＧａＮの厚膜を成長させ、最終的にこの基板上のボイドを境にＧａＮ厚膜をサファイア基板から剥離することによりＧａＮ自立基板が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２７７１９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、このＶＡＳ法による製造方法において、ＨＶＰＥ法で下地基板であるサファイア基板上にＧａＮの厚膜を成長させる際、ＧａＮ厚膜はＧａ極性面側から見て必ず凹状に反る。反り量が大きくなると研磨加工後のオフ角分布が大きくなるほか、研磨工程における加工量が増えてしまいコストや時間の無駄が大きくなるという問題があった。
【０００５】
本発明の目的は、反り量の少ない窒化物半導体ウエハの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施の態様によれば、
サファイア基板に窒化物半導体薄膜結晶層と、その上にボイドを含む金属窒化膜とが設けられてなるボイド形成基板上に窒化物半導体厚膜結晶層を形成した後、前記ボイドを堺に前記ボイド形成基板を除去して窒化物半導体ウエハを製造する方法において、
前記サファイア基板の前記窒化物半導体薄膜結晶層が形成される表面とは反対側の裏面に、サファイアの熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有する材料からなる反り相殺層を形成し、
前記窒化物半導体厚膜結晶層の成長温度下で、前記サファイア基板と前記反り相殺層との熱膨張係数の差によって前記反り相殺層を形成したボイド形成基板を、前記金属窒化膜が形成される面から見て凸状に反らせ、
前記凸状に反らせたボイド形成基板の上に前記窒化物半導体厚膜結晶層を凸状に成長させ、
成長終了後、前記成長温度から常温に戻る際に、前記ボイド形成基板の平らな形状への復元とともに前記窒化物半導体厚膜結晶層の凸状から平らな形状への戻りが、前記窒化物半導体厚膜結晶層の半導体極性面から見た凹状の反りを相殺する
窒化物半導体ウエハの製造方法が提供される。
【０００７】
好ましくは、前記反り相殺層は、前記サファイア基板の裏面に膜状に形成する。
【０００８】
また、好ましくは、前記反り相殺層はインバー合金で構成する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、反り量の小さい窒化物半導体ウエハを得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施の形態におけるＧａＮを代表とする窒化物半導体ウエハを製造するＶＡＳ法のプロセスを説明する模式図である。
【図２】本発明の一実施の形態における下地基板の断面構造図である。
【図３】本発明の一実施の形態における下地基板を用いたＧａＮ厚膜結晶層のＨＶＰＥ成長時の説明図である。
【図４】本発明の一実施の形態におけるＨＶＰＥ成長後、常温下でのＧａＮ厚膜結晶層と下地基板の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に本発明の実施に形態について述べる。
【００１２】
図１はＧａＮを代表とするＧａＮ自立基板１４Ａを製造するＶＡＳ法のプロセスを説明する模式図である。ＶＡＳ法のプロセスにおいて、窒化物半導体薄膜結晶層としてのＧａＮ薄膜結晶層１１を成長させるために下地基板としてサファイア基板１０が用いられる。また、ＨＶＰＥ製造プロセスで窒化物半導体厚膜結晶層としてのＧａＮ厚膜結晶層１４を成長する際、下地基板としてボイド形成基板１６を用いる。ボイド形成基板１６は、基本的に、ボイド１３を高密度に発生させたＧａＮ薄膜結晶層１１をサファイア基板１０上に形成した２層構造となっており、その表面には多結晶の熱凝集による金属窒化膜としてのＴｉＮ微細孔ネット１２を有する。このボイド形成基板１６上にＧａＮ厚膜結晶層１４を成長させる（図１（ａ））。最終的にこのボイド形成基板１６上のボイド１３を境にＧａＮ厚膜結晶層１４とボイド形成基板１６とを剥離することにより窒化物半導体ウエハとしてのＧａＮ自立基板１４Ａが得られる（図１（ｂ））。
【００１３】
本実施の形態では、上述した窒化物半導体ウエハを製造するプロセスを用いることを前提とする。このプロセスを実行してＧａＮ厚膜結晶層１４を成長させる際に、本実施の形態では、３層構造の下地基板を用いる。図２は、本実施の形態によるそのような下地基板となるボイド形成基板１７の断面図である。図２に示すように、３層構造を有するボイド形成基板１７は、サファイア基板１０の表面にＴｉＮ微細孔ネット１２を有するＧａＮ薄膜結晶層１１を形成し、サファイア基板１０のＧａＮ薄膜結晶層１１が形成される表面とは反対側の裏面にサファイアよりも熱膨張率の小さな材料から成る反り相殺層１５を重ね合わせる。この３層構造のボイド形成基板１７を、ＧａＮ厚膜結晶層１４を形成するＨＶＰＥ成長時に使用する。これにより、ＧａＮ厚膜結晶層１４の成長後に反り量の少ないＧａＮ自立基板１４Ａを得ることできる。
【００１４】
サファイア基板１０に重ね合わせる反り相殺層１５の材料としては、サファイアの熱膨張率（約７．５×１０−６）よりも小さい金属、例えばニッケル３６．５％、鉄６３．５％からなるからなるインバー合金を使用する。インバー合金の熱膨張率は約１．２×１０−６でサファイアの熱膨張率の約１／６である。インバー合金のような熱伝導率の高い材料を用いることで均熱効果が得られる。インバー合金からなるインバー合金層１５Ａは、サファイア基板１０の表面にボイドを有するＧａＮ薄膜結晶層１１を形成し、その上にＴｉＮ微細孔ネット１２を形成した後に、蒸着や溶射等の方法により、ＧａＮ薄膜結晶層１１とは反対側のサファイア基板１０の裏面に膜状に形成する。サファイア基板１０に重ね合わせられるインバー合金層１５Ａの厚さはＨＶＰＥ成長の条件やＧａＮ厚膜結晶層１４の厚さによって試行錯誤的にて定めることが出来る。
【００１５】
ＨＶＰＥ法でサファイア基板上にＧａＮ厚膜結晶層を成長させると、ＧａＮ厚膜結晶層は、Ｇａ極性面側から見て凹状に反ってしまう。これは、次の理由による。ＧａＮ厚膜結晶層の成長においては、平らな下地基板上にＧａＮ結晶をＨＶＰＥ成長させる。ＧａＮ結晶層は下地基板上に発生した島状の結晶が横方向に成長し、島同士が結び付きながら平坦化していく。この際、結晶表面には引張りひずみが生じ、その結果ＧａＮ厚膜結晶層は凹状に反るからである。
【００１６】
本実施の形態による窒化物半導体ウエハの基本の製造方法は、サファイア基板１０、ボイドを発生したＧａＮ薄膜結晶層１１、ＴｉＮ微細孔ネット１２をこの順序で積層してなるボイド形成基板１６を形成し、ボイド形成基板１６のＴｉＮ微細孔ネット１２の上にＧａＮ厚膜結晶層１４を成長させ、ボイド形成基板１６上のボイド１３を境に、ＧａＮ厚膜結晶層１４をボイド形成基板１６から剥離する（図１）。
【００１７】
このような基本の製造方法において、図２に示すように、サファイア基板１０のＧａＮ薄膜結晶層１１が形成される面とは反対側の面に、サファイアの熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有する材料からなるインバー合金層１５Ａを形成する。そして、図３に示すように、ＧａＮ厚膜結晶層１４の成長温度下で、サファイア基板１０とインバー合金層１５Ａとの熱膨張係数の差によってインバー合金層１５Ａが形成されたボイド形成基板１７をＴｉＮ微細孔ネット１２面ないしＧａＮ薄膜結晶層１１から見て凸状に反らせ、この凸状に反らせたボイド形成基板１７の上にＧａＮ結晶を形成することによりＧａＮ厚膜結晶層１４を凸状に成長させる。
【００１８】
成長終了後、成長温度から常温に戻る際に、ボイド形成基板の平らな形状へ復元するに伴って生じる前記窒化物半導体結晶厚膜の凸状から平らな形状への曲がり戻りが、前記成長温度から常温に戻る際に生じる前記窒化物半導体厚膜結晶層の半導体極性面から見た凹状の反りと相殺される。図４に示すように、ボイド形成基板１７のＴｉＮ微細孔ネット１２に形成されたボイド１３を境に、ＧａＮ厚膜結晶層１４をボイド形成基板１７から剥離する。
【００１９】
以下に、反り量が減る理由を詳細に説明する。図３に示すように、サファイア基板１０とインバー合金層１５Ａとを重ねたボイド形成基板１７を用いれば、ボイド形成基板１７は熱膨張率の大きいサファイア基板１０側に凸に反る。これは下地基板として使用するサファイアよりも熱膨張率の小さいインバー合金層１５Ａをサファイア基板１０に重ね合わせた構造を有するボイド形成基板１７をＨＶＰＥ成長に用いれば、ＧａＮ厚膜結晶層１４の成長の途中過程での加熱とサファイア―インバー合金間の熱膨張率の差により、ボイド形成基板１７はサファイア基板の表面側から見て凸状に反るからである。この凸に反ったボイド形成基板１７の表面にＧａＮ厚膜結晶層１４をＨＶＰＥ成長させる。ＨＶＰＥ成長が完了し、常温に戻る際に凹状に反ろうとするＧａＮ厚膜結晶層１４を予め凸状に反ったボイド形成基板１７上に成長させ、これらの相反する作用を利用することで最終的には、より反り量の少ないＧａＮ厚膜結晶層１４を得ることが出来る。すなわち、図４に示すように、基板が常温まで温度が下がれば、下地基板としてサファイア基板のみを用いていた従来の製法によるものよりも、反りが小さいＧａＮ厚膜結晶層１４を得ることが出来る。最終的にこのボイド形成基板１７のＴｉＮ微細孔ネット１２に形成されたボイド１３を境にＧａＮ厚膜結晶層１４とサファイア基板１０とを剥離することにより反り量の小さなＧａＮ自立基板１４Ａが得られる。
【００２０】
（実施の形態の効果）
本実施の形態によれば、下地基板として使用するサファイアよりも熱膨張率の小さいインバー合金層をサファイア基板に重ね合わせた構造を有するボイド形成基板をＨＶＰＥ成長に用いるので、反りが小さいＧａＮ厚膜結晶層を得ることが出来る。これによって研磨
工程での研磨量を少なくさせることができ、また研磨加工後のオフ角分布がより小さいＧａＮウエハを製造することが出来る。
【００２１】
特に、本実施の形態では、インバー合金層をサファイア基板に重ね合わせた構造を有するボイド形成基板を、直径３インチ以上の大口径基板の製造が可能となるＶＡＳ法で用いるから、特に大口径基板で問題となる反りが大幅に抑制されるので、これまでにない高品質かつ高均一なＧａＮ自立基板を提供することができる。
【００２２】
なお、本発明は以上説明した実施の形態に限定されるものではなく、多くの変形が本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により可能である。
【００２３】
例えば、本実施の形態では、反り相殺層の材料については金属であるインバー合金を例示したが、インバー合金に置き換わるものとして非金属でもよい。例えばサファイアよりも熱膨張率の小さい石英ガラスＳｉＯ２（熱膨張率：約５．６×１０−７）を選択することも可能である。しかし、次の理由からインバー合金などの金属の方が好ましい。金属の方が熱伝導率が高く、基板全体に均一に熱を伝えやすいため、成長ムラがなくなる。また、金属は展延性に富み、靭性があり、熱膨張率の差により反りを生じさせるのに有利だからである。
【００２４】
また、本実施の形態では、窒化物半導体結晶としてＧａＮ結晶を挙げたが、他の実施形態の例としてＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＮ、ＩｎＧａＡｌＮなどの結晶にも適用可能である。
【符号の説明】
【００２５】
１０    サファイア基板
１１    ＧａＮ薄膜結晶層（窒化物半導体薄膜結晶層）
１２    ＴｉＮ微細孔ネット（金属窒化膜）
１３    ボイド
１４    ＧａＮ厚膜結晶層（窒化物半導体厚膜結晶層）
１４Ａ  ＧａＮ自立基板（窒化物半導体ウエハ）
１５    反り相殺層
１５Ａ  インバー合金層
１６、１７    ボイド形成基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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